Guide essentiel des turbines à impulsion : définition, applications et composants

La turbine à impulsion est l'une des turbines les plus simples, classée parmi les turbines hydrauliques avec les turbines à réaction. Elles sont regroupées selon le mode d'échange d'énergie entre le fluide et la turbine. Installées pour convertir l'énergie potentielle et cinétique de l'écoulement d'eau en travail mécanique. Les centrales hydroélectriques utilisent largement les turbines à impulsion, aussi utilisables pour le pompage d'eau.

Cet article couvre la définition, applications, fonction, composants, schémas, types, principe de fonctionnement des turbines à impulsion, ainsi que leurs avantages et inconvénients.

Qu'est-ce qu'une turbine à impulsion ?

Une turbine à impulsion est un dispositif qui utilise l'énergie cinétique du fluide pour frapper les pales à travers la tuyère. Dans ces turbines, un ensemble de machines tournantes opère à pression atmosphérique. Adaptées aux hautes chutes et faibles débits. Les turbines à impulsion fonctionnent sur le changement des vecteurs de vitesse : l'énergie potentielle de l'eau (ou autre fluide, ex: vapeur) selon la hauteur de chute est convertie en énergie cinétique par une ou plusieurs tuyères.

Quand l'eau frappe les pales de la turbine à grande vitesse, celle-ci tourne et un arbre connecté au générateur permet la production d'électricité. Cela la rend adaptée pour extraire l'énergie de conditions de haute chute et faible débit.

Les turbines à impulsion sont de trois types : Pelton, Turgo et Cross-flow. La construction de Pelton et Turgo est très similaire. Cependant, la turbine Cross-flow est une version modifiée de turbine à impulsion, classée comme telle car le rotor tourne à pression atmosphérique et non en turbine submergée.

Applications des turbines à impulsion

Les applications sont largement utilisées pour la production d'énergie électrique. En fait, une grande proportion de l'électricité mondiale est produite par des turbogénérateurs.

Les moteurs principaux de la navette spatiale utilisaient des turbopompes (machine combinant pompe entraînée par turbine) pour alimenter la chambre de combustion en propergols (oxygène liquide et hydrogène liquide).

Les turbines hydrauliques sont utilisées dans les centrales hydroélectriques. Elles utilisent l'eau comme fluide de travail.

Enfin, les turbines à vapeur sont utilisées dans les centrales nucléaires et thermiques. L'eau est chauffée pour former de la vapeur puis traversée par les turbines pour produire de l'électricité.

Note : la fonction primaire d'une turbine à impulsion est la production d'énergie et le pompage d'eau.

Composants des turbines à impulsion

Rotor (Runner) :

Disque circulaire portant plusieurs pales courbes. Un arbre cylindrique au centre, en acier inoxydable comme le rotor. Le rotor peut être en fonte si la hauteur de chute est faible.

Godets (Buckets) :

Ensemble de godets en forme de cuillère montés autour du rotor pour échanger l'énergie entre fluide et turbine. Le fluide à haute vitesse frappe ces godets après avoir quitté la tuyère, faisant tourner les pales et sortant par le bord extérieur du godet. La conception détermine le changement de direction du fluide à la sortie comparé à l'angle d'impact. Le maximum de quantité de mouvement est obtenu à 180 degrés.

Tuyère (Nozzle) :

Fonction : régler, modifier et projeter le flux de fluide pour frapper les godets. Partie importante causant les changements de pression et permettant la conversion de la charge de chute en énergie cinétique. Une pièce appelée "aiguille" (spear) règle le volume du jet d'eau atteignant les godets. Ces tuyères sont en carbure de tungstène, très dur et résistant aux particules érosives.

Carcasse (Casing) :

Sert de protection pour empêcher l'eau de gicler hors de la turbine. La guide aussi vers le déversoir (spillway), existant pour l'eau excédentaire protégeant l'intégrité structurelle du barrage. Généralement en fonte.

Conduite forcée (Penstock) :

Largement utilisée en centrales hydroélectriques comme tuyaux et canaux acheminant l'eau des barrages et réservoirs vers les turbines. L'eau y circule à très haute pression. Les conduites forcées sont normalement en acier.

Schéma de turbine à impulsion :

Types de turbines à impulsion

Pelton :

Composants majeurs : rotor, tuyère, déviateur. Utilisée pour grandes hauteurs de chute. Une ou plusieurs tuyères (jusqu'à 6) convertissent la charge d'eau en écoulement à grande vitesse. La puissance est contrôlée en régulant le débit d'eau.

Le système comporte une série de godets symétriques autour du rotor cylindrique. La forme et conception des godets font que le jet d'eau frappe le centre du godet et en sort des deux côtés. Cette sortie se fait sans que l'eau sortante ne frappe le godet suivant, évitant un freinage. L'axe de la roue peut être monté verticalement ou horizontalement. Pour hautes puissances, rendements et nombre de tuyères élevé, l'arbre est toujours vertical, le générateur au-dessus de la turbine.

Un déviateur est situé entre le rotor et la tuyère. Il empêche l'eau de gicler de la tuyère vers les godets quand la charge est soudainement retirée de la turbine, ce qui augmenterait sa vitesse de rotation. Enfin, une aiguille (spear) stoppe l'écoulement d'eau.

Schéma de turbine à impulsion Pelton :

Turgo :

Fonctionne de manière similaire au Pelton. Différence majeure : le jet d'eau frappe les godets obliquement (environ 20°). La forme du godet est plus complexe et difficile à fabriquer. Les turbines Turgo ont une vitesse spécifique plus élevée que Pelton. Un avantage : jet plus large et machine plus compacte que Pelton pour puissance égale. Petites centrales hydroélectriques utilisent cette turbine.

Schéma de turbine à impulsion Turgo :

Cross-flow (à travers-courant) :

Modification des turbines à impulsion, souvent utilisées en petites centrales hydroélectriques. Comme les turbines à impulsion, le rotor tourne dans l'air et non totalement submergé comme une turbine à réaction. Avantages : fonctionnement sur large plage de débit, chute et donc puissance. S'adapte bien aux variations de débit en conservant le rendement. Système de contrôle spécial ajustant la partie active de la turbine selon le débit d'eau.

Schéma de turbine cross-flow :

Principe de fonctionnement d'une turbine à impulsion

Le fonctionnement diffère selon les types. En expliquant les types, j'ai mentionné leur fonctionnement. Généralement, dans la production d'énergie par turbines à impulsion, les étapes suivantes sont accomplies :

• L'eau stockée s'écoule depuis une source en amont par la conduite forcée jusqu'à la tuyère
• L'énergie potentielle de l'eau dans la tuyère est convertie en énergie cinétique et injectée dans les pales/godets ; le rotor tourne
• Un mécanisme contrôle le débit d'eau injecté dans le rotor. L'aiguille (spear) joue un rôle important
• Le générateur attaché à l'arbre convertit l'énergie mécanique en énergie électrique

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement d'une turbine à impulsion :

Avantages et inconvénients d'une turbine à impulsion

Avantages :

• Facile à maintenir
• Construction simple
• Rendement de travail élevé
• Fonctionne à pression atmosphérique
• Vitesse de rotation élevée

Inconvénients :

• Occupe beaucoup d'espace du fait de sa taille
• Coût d'installation élevé
• Rendement de travail diminue avec le temps
• Non adaptée aux hauts débits
• Idéale seulement pour faibles débits
• Nécessite une haute chute difficile à gérer

Conclusion

Les turbines à impulsion sont des types spéciaux pour production d'énergie et pompage d'eau. Trois types : Pelton, Turgo, Cross-flow. Cet article a expliqué la définition, applications, fonction, composants, schémas et fonctionnement de la turbine à impulsion. Ses avantages et inconvénients ont aussi été énoncés.

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